一種輸出電壓4～16V開關穩壓電源的設計

摘  要： 介 紹 一 種 采 用 半 橋 電 路 的 開 關 電 源 ， 其 輸 入 電 壓 為 交 流 220V± 20％ ， 輸 出 電 壓 為 直 流 4～ 16V， 最 大 電 流 40A， 工 作 頻 率 50kHz。 重 點 介 紹 了 該 電 源 的 設 計 思 想 ， 工 作 原 理 及 特 點 。
    關鍵詞： 脈 寬 調 制 ； 半 橋 變 換 器 ； 電 源

1 引 言 
    在 科 研 、 生 產 、 實 驗 等 應 用 場 合 ， 經 常 用 到 電 壓 在 5～ 15V， 電 流 在 5～ 40A的 電 源 。 而 一 般 實 驗 用 電 源 最 大 電 流 只 有 5A、 10A。 為 此 專 門 開 發 了 電 壓 4V～ 16V連 續 可 調 ， 輸 出 電 流 最 大 40A的 開 關 電 源 。 它 采 用 了 半 橋 電 路 ， 所 選 用 開 關 器 件 為 功 率 MOS管 ， 開 關 工 作 頻 率 為 50kHz， 具 有 重 量 輕 、 體 積 小 、 成 本 低 等 特 點 。 
2 主 要 技 術 指 標 
    1） 交 流 輸 入 電 壓 AC220V± 20％ ； 
2） 直 流 輸 出 電 壓 4～ 16V可 調 ； 
3） 輸 出 電 流 0～ 40A； 
4） 輸 出 電 壓 調 整 率 ≤ 1％ ； 
5） 紋 波 電 壓 Up�� p≤ 50mV； 
6） 顯 示 與 報 警 具 有 電 流 /電 壓 顯 示 功 能 及 故 障 告 警 指 示 。 
3 基 本 工 作 原 理 及 原 理 框 圖 
    該 電 源 的 原 理 框 圖 如 圖 1所 示 。 

    220V交 流 電 壓 經 過 EMI濾 波 及 整 流 濾 波 后 ， 得 到 約 300V的 直 流 電 壓 加 到 半 橋 變 換 器 上 ， 用 脈 寬 調 制 電 路 產 生 的 雙 列 脈 沖 信 號 去 驅 動 功 率 MOS管 ， 通 過 功 率 變 壓 器 的 耦 合 和 隔 離 作 用 在 次 級 得 到 準 方 波 電 壓 ， 經 整 流 濾 波 反 饋 控 制 后 可 得 到 穩 定 的 直 流 輸 出 電 壓 。 
4 各 主 要 功 能 描 述 
4. 1 交 流 EMI濾 波 及 整 流 濾 波 電 路 
    交 流 EMI濾 波 及 整 流 濾 波 電 路 如 圖 2所 示 。 

    電 子 設 備 的 電 源 線 是 電 磁 干 擾 （ EMI） 出 入 電 子 設 備 的 一 個 重 要 途 徑 ， 在 設 備 電 源 線 入 口 處 安 裝 電 網 濾 波 器 可 以 有 效 地 切 斷 這 條 電 磁 干 擾 傳 播 途 徑 ， 本 電 源 濾 波 器 由 帶 有 IEC插 頭 電 網 濾 波 器 和 PCB電 源 濾 波 器 組 成 。 IEC插 頭 電 網 濾 波 器 主 要 是 阻 止 來 自 電 網 的 干 擾 進 入 電 源 機 箱 。 PCB電 源 濾 波 器 主 要 是 抑 制 功 率 開 關 轉 換 時 產 生 的 高 頻 噪 聲 。 
交 流 輸 入 220V時 ， 整 流 采 用 橋 式 整 流 電 路 。 如 果 將 JTI跳 線 短 連 時 ， 則 適 用 于 110V交 流 輸 入 電 壓 。 由 于 輸 入 電 壓 高 ， 電 容 器 容 量 大 ， 因 此 在 接 通 電 網 瞬 間 會 產 生 很 大 的 浪 涌 沖 擊 電 流 ， 一 般 浪 涌 電 流 值 為 穩 態 電 流 的 數 十 倍 。 這 可 能 造 成 整 流 橋 和 輸 入 保 險 絲 的 損 壞 ， 也 可 能 造 成 高 頻 變 壓 器 磁 芯 飽 和 損 壞 功 率 器 件 ， 造 成 高 壓 電 解 電 容 使 用 壽 命 降 低 等 。 所 以 在 整 流 橋 前 加 入 由 電 阻 R1和 繼 電 器 K1組 成 的 輸 入 軟 啟 動 電 路 。 
4. 2 半 橋 式 功 率 變 換 器 
    該 電 源 采 用 半 橋 式 變 換 電 路 ， 如 圖 6所 示 ， 其 工 作 頻 率 50kHz， 在 初 級 一 側 的 主 要 部 分 是 Q4和 Q5功 率 管 及 C34和 C35電 容 器 。 Q4和 Q5交 替 導 通 、 截 止 ， 在 高 頻 變 壓 器 初 級 繞 組 N1兩 端 產 生 一 幅 值 為 U1/2的 正 負 方 波 脈 沖 電 壓 。 能 量 通 過 變 壓 器 傳 遞 到 輸 出 端 ， Q4和 Q5采 用 IRFP460功 率 MOS管 。 
4. 3 功 率 變 壓 器 的 設 計 
    1） 工 作 頻 率 的 設 定 
    工 作 頻 率 對 電 源 的 體 積 、 重 量 及 電 路 特 性 影 響 很 大 。 工 作 頻 率 高 ， 輸 出 濾 波 電 感 和 電 容 體 積 減 小 ， 但 開 關 損 耗 增 高 ， 熱 量 增 大 ， 散 熱 器 體 積 加 大 。 因 此 根 據 元 器 件 及 性 價 比 等 因 素 ， 將 電 源 工 作 頻 率 進 行 優 化 設 計 ， 本 例 為 fs=50kHz。 
    T=1/fs=1/50kHz=20μ s 
    2） 磁 芯 選 用 
    ① 選 取 磁 芯 材 料 和 磁 芯 結 構 
   選 用 R2KB鐵 氧 體 材 料 制 成 的 EE型 鐵 氧 體 磁 芯 。 其 具 有 品 種 多 ， 引 線 空 間 大 ， 接 線 操 作 方 便 ， 價 格 便 宜 等 優 點 。 
    ② 確 定 工 作 磁 感 應 強 度 Bm 
    R2KB軟 磁 鐵 氧 體 材 料 的 飽 和 磁 感 應 強 度 Bs=0.47T， 考 慮 到 高 溫 時 Bs會 下 降 ， 同 時 為 防 止 合 閘 瞬 間 高 頻 變 壓 器 飽 和 ， 選 定 Bm=1/3Bs=0.15T。
    ③ 計 算 并 確 定 磁 芯 型 號 
    磁 芯 的 幾 何 截 面 積 S和 磁 芯 的 窗 口 面 積 Q與 輸 出 功 率 Po存 在 一 定 的 函 數 關 系 。 對 于 半 橋 變 換 器 ， 當 脈 沖 波 形 近 似 為 方 波 時 為

式 中 ： η — — 效 率 ； 
         j— — 電 流 密 度 ， 一 般 取 300～ 500A/cm2； 
         Kc— — 磁 芯 的 填 充 系 數 ， 對 于 鐵 氧 體 Kc=1； 
         Ku— — 銅 的 填 充 系 數 ， Ku與 導 線 線 徑 及 繞 制 的 工 藝 及 繞 組 數 量 等 有 關 ， 一 般 為 0.1～ 0.5左 右 。 

    由 廠 家 手 冊 知 ， EE55磁 芯 的 S=3.54 cm2,Q= 3.1042 cm2,則 SQ=10.9 cm4， EE55磁 芯 的 SQ值 大 于 計 算 值 ， 選 定 該 磁 芯 。 
    3)計 算 原 副 邊 繞 組 匝 數 
    按 輸 入 電 壓 最 低 及 輸 出 滿 載 的 情 況 （ 此 時 占 空 比 最 大 ） 來 計 算 原 副 邊 繞 組 匝 數 ， 已 知 Umin=176V 經 整 流 濾 波 后 直 流 輸 入 電 壓 Udmin=1.2× 176=211.2V。 
    對 于 半 橋 電 路 、 功 率 變 壓 器 初 級 繞 組 上 施 加 的 電 壓 等 于 輸 入 電 壓 的 一 半 , 即 Upmin=Udmin/2=105.6V， 設 最 大 占 定 比 Dmax=0.9， 則


    次 級 匝 數 計 算 時 取 輸 出 電 壓 最 大 值 Uomax=16V。 次 級 電 路 采 用 全 波 整 流 ， Us為 次 級 繞 組 上 的 感 應 電 壓 ， Uo為 輸 出 電 壓 ， Uf為 整 流 二 極 管 壓 降 ， 取 1V。 Uz為 濾 波 電 感 等 線 路 壓 降 ， 取 0.3V， 則

    4） 選 定 導 線 線 徑 
    在 選 用 繞 組 的 導 線 線 徑 時 ， 要 考 慮 導 線 的 集 膚 效 應 ， 一 般 要 求 導 線 線 徑 小 于 兩 倍 穿 透 深 度 ， 而 穿 透 深 度 Δ 由 式 （ 2） 決 定

式 中 ： ω 為 角 頻 率 ， ω =2π fs； 
         μ 為 導 線 的 磁 導 率 ， 對 于 銅 線 相 對 磁 導 率 μ r=1， 則 μ =μ 0× μ r=4π × 10－ 7H/m； 
         γ 為 銅 的 電 導 率 ， γ =58× 10－ 6Ω m； 
    穿 透 深 度 Δ 的 單 位 為 m。 
    變 壓 器 工 作 頻 率 50kHz， 在 此 頻 率 下 銅 導 線 的 穿 透 深 度 為 Δ =0.2956mm， 因 此 繞 組 線 徑 必 須 是 直 徑 小 于 0.59mm的 銅 線 。 另 外 考 慮 到 銅 線 電 流 密 度 一 般 取 3～ 6A/mm2， 故 這 里 選 用 0.56mm的 漆 包 線 8股 并 聯 繞 制 初 級 共 10匝 ， 次 級 選 用 厚 0.15mm扁 銅 帶 繞 制 2匝 。 
4. 4 輔 助 電 源 的 設 計 
    輔 助 電 源 采 用 RCC變 換 器 （ Ringing Choke Converter） ， 見 圖 3。 其 輸 入 電 壓 為 交 流 220V整 流 濾 波 電 壓 ， 輸 出 直 流 電 壓 為 12.5V， 輸 出 直 流 電 流 為 0.5A。 電 路 中 Q8和 變 壓 器 初 級 繞 組 線 圈 N1與 反 饋 繞 組 線 圈 N3構 成 自 激 振 蕩 。 R72為 啟 動 電 阻 。 Q9、 R77構 成 輔 助 電 源 初 級 過 流 保 護 。 D20、 C81、 ZD1、 Q11、 R75、 R76構 成 電 壓 檢 測 與 穩 壓 電 路 ， 控 制 Q8的 基 極 電 流 的 直 流 分 量 ， 從 而 保 持 輸 出 電 壓 恒 定 ， 變 壓 器 采 用 EE19、 LP3材 質 構 成 。 初 級 180匝 ， 反 饋 繞 組 5.5匝 ， 次 級 11匝 ， 初 級 電 感 量 是 2.6mH， 磁 芯 中 間 留 有 間 隙 0.4mm。 

4. 5 驅 動 電 路
    驅 動 電 路 如 圖 4所 示 。 TL494輸 出 50kHz的 脈 沖 信 號 ， 通 過 高 頻 脈 沖 變 壓 器 耦 合 去 驅 動 功 率 MOS管 。 次 級 脈 沖 電 壓 為 正 時 ， MOS管 導 通 ， 在 此 期 間 Q7截 止 ， 由 其 構 成 的 泄 放 電 路 不 工 作 。 當 次 級 脈 沖 電 壓 為 零 時 ， 則 Q7導 通 ， 快 速 泄 放 MOS管 柵 級 電 荷 ， 加 速 MOS管 截 止 。 R70是 用 于 抑 制 驅 動 脈 沖 的 尖 峰 ， R68、 D15、 R67可 以 加 速 驅 動 并 防 止 驅 動 脈 沖 產 生 振 蕩 。 D17和 與 它 相 連 的 脈 沖 變 壓 器 繞 組 共 同 構 成 去 磁 電 路 。

4. 6 風 扇 風 速 控 制 電 路 
    風 扇 風 速 控 制 電 路 見 圖 5。 利 用 二 極 管 正 向 管 壓 降 隨 溫 度 升 高 而 呈 下 降 趨 勢 的 特 性 ， 將 D9、 D10做 為 散 熱 器 溫 度 采 樣 器 件 。 方 法 是 將 D9、 D10兩 二 極 管 緊 靠 在 散 熱 器 上 ， 當 散 熱 器 隨 輸 出 功 率 加 大 而 溫 度 升 高 時 ， 運 放 N2A正 相 輸 入 端 電 平 降 低 ， 輸 出 低 電 平 使 三 極 管 Q3開 始 導 通 ， 風 機 上 電 壓 升 高 ， 轉 速 升 高 ， 最 終 到 達 最 高 轉 速 。 當 負 載 較 輕 ， 使 散 熱 器 溫 度 低 于 50℃ 時 ， N2A輸 出 高 電 平 ， Q3不 導 通 ， 輔 助 電 源 12.5V經 電 阻 R57降 壓 給 風 機 供 電 ， 風 機 處 于 低 速 、 低 噪 聲 運 行 狀 態 。 此 電 路 可 以 提 高 風 機 工 作 壽 命 ， 增 加 電 路 可 靠 性 ， 亦 可 在 小 負 載 情 況 下 ， 減 少 風 機 帶 來 的 噪 聲 。 

4. 7 PWM控 制 電 路
    控 制 電 路 采 用 通 用 脈 寬 調 制 器 TL494， 具 有 通 用 性 和 成 本 低 等 優 點 ， 見 圖 6。 輸 出 電 壓 經 R40、 RV2、 RV1、 R41進 行 分 壓 采 樣 ， 經 R5阻 抗 匹 配 后 送 到 TL494腳 1。 RV1裝 在 電 源 前 面 板 上 用 于 實 現 輸 出 電 壓 的 調 節 。 R103和 C14將 輸 出 電 感 L1前 信 號 采 樣 ， 經 R5送 到 TL494腳 1， 用 于 提 高 電 源 穩 定 度 ， 消 除 L1對 環 路 穩 定 性 影 響 。 
4. 8 過 流 保 護 電 路 
    為 增 強 電 源 可 靠 性 ， 此 電 源 采 用 初 、 次 級 兩 級 過 流 保 護 。 初 級 采 用 電 流 互 感 器 CT1檢 測 初 級 變 壓 器 電 流 ， 檢 測 出 的 電 流 信 號 經 R60轉 為 電 壓 信 號 后 ， 再 經 D2～ D4， C9整 流 濾 波 后 ， 經 過 電 位 器 RV3分 壓 ， 反 相 器 N3反 相 后 加 在 Q1管 基 極 。 當 初 級 電 流 超 過 正 常 時 ， 反 相 器 反 轉 ， Q1管 導 通 ， 將 VREF=5V的 高 電 平 加 在 TL494腳 4上 （ 腳 4為 TL494死 區 控 制 腳 、 高 電 平 關 斷 ） ， TL494關 斷 。 
    輸 出 直 流 總 線 上 過 流 保 護 ， 采 用 R45～ R56電 阻 做 為 采 樣 電 阻 ， 當 輸 出 電 流 增 加 時 腳 15電 平 變 低 ， 當 輸 出 電 流 大 于 40A的 105％ 時 ， TL494的 內 部 運 放 動 作 ， 腳 3電 平 升 高 ， 限 制 輸 出 脈 寬 增 加 ， 電 源 處 于 限 流 狀 態 。 

5 結 語 
    本 文 介 紹 的 開 關 電 源 已 成 功 地 作 為 實 驗 室 電 源 、 通 信 基 站 電 源 使 用 。 其 效 率 ≥ 85％ ， 紋 波 優 于 30mVP�� P， 產 品 可 靠 性 高 、 成 本 低 ， 具 有 一 定 的 市 場 競 爭 力 。

參 考 文 獻 
[1] 葉 治 政 ,葉 靖 國 .開 關 穩 壓 電 源 [M].北 京 ： 高 等 教 育 出 版 社 .1998. 
[2] 何 希 才 .新 型 開 關 電 源 及 其 應 用 [M].北 京 ： 人 民 郵 電 出 版 社 .1996.